船舶動力定位容錯控制方法研究.pdf

1、隨著人們?nèi)找嬷匾晫ι詈５奶剿骱烷_發(fā),深海裝備飛速發(fā)展,對船舶動力定位(DynamicPositioning,DP)系統(tǒng)的依賴性日益提高,使其得到了更廣泛的應(yīng)用,隨之而來,對其安全性和可靠性提出了更高的要求,不但要求船舶在進行正常動力定位作業(yè)的過程中滿足控制性能要求,而且對于某些特殊作業(yè),在出現(xiàn)可接受的故障之后要求仍然能夠繼續(xù)完成作業(yè),甚至滿足降低的性能指標(biāo),或至少在一定時間內(nèi)不會發(fā)生重大事故。容錯控制可提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,因此對船

2、舶動力定位進行容錯控制是必要的。
　　目前高等級的船舶動力定位系統(tǒng)皆具有物理冗余和解析冗余。在動力定位系統(tǒng)已具備一定物理冗余度的前提下,通過解析冗余充分利用已有冗余關(guān)系來實現(xiàn)船舶動力定位的容錯控制,可保證船舶在故障情況下仍能持續(xù)動力定位作業(yè),同時應(yīng)盡可能保持原控制器的控制性能和船舶的定位能力,因此研究基于解析冗余的容錯控制方法對于船舶動力定位的容錯控制具有十分重要的理論和工程意義。
　　本文圍繞此前沿性課題,對船舶動力定位作

3、業(yè)過程中傳感器和推進器故障的診斷方法,以及傳感器和推進器故障船舶的動力定位容錯控制方法展開了深入研究,提出了基于有向圖和支持向量機(SupportVectorMachine,SVM)的故障診斷方法,以及基于魯棒滑模虛擬傳感器和魯棒自適應(yīng)滑模虛擬執(zhí)行器的容錯控制方法。
　　本文主要完成了以下研究內(nèi)容:
　　為了對可能發(fā)生的故障進行及時診斷,并對故障船舶進行容錯控制,同時,真實反映船舶在容錯過程中對環(huán)境干擾及控制輸入的響應(yīng)特性,

4、根據(jù)國內(nèi)外已公開發(fā)表的文獻資料,建立了3自由度船舶運動學(xué)和動力學(xué)模型,環(huán)境載荷模型以及推進系統(tǒng)模型,給出了可用于驗證容錯控制方法的試驗船數(shù)學(xué)模型。
　　為了實現(xiàn)船舶動力定位的傳感器故障診斷,利用二叉樹分類法將多種故障類型的多分類問題轉(zhuǎn)換為多個二分類問題進行分類,利用差值法對樣本數(shù)據(jù)進行特征提取,將提取后的特征向量作為支持向量機輸入,實現(xiàn)故障診斷。仿真結(jié)果驗證了所提方法可快速、準(zhǔn)確、有效地實現(xiàn)傳感器故障的檢測和隔離。
　　為了

5、實現(xiàn)船舶動力定位的推進器故障診斷,利用有向圖相關(guān)理論中求解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的最大匹配算法,得到動力定位船舶及其推進系統(tǒng)中變量與約束間的完全匹配,根據(jù)得到的匹配,針對每個推進器的螺距控制和轉(zhuǎn)速控制約束,設(shè)計可用于故障診斷的解析冗余關(guān)系。提出基于有向圖和支持向量機的故障診斷方法,將得到的冗余關(guān)系的殘差值經(jīng)過處理后輸入支持向量機,使得閾值根據(jù)支持向量機學(xué)習(xí)的結(jié)果變化,降低了故障診斷中漏報和誤報的概率,在保證了診斷結(jié)果完備性的同時,大大提升了故障診斷

6、的分辨率。
　　為了進行傳感器故障情況下的船舶動力定位容錯控制,提出一種基于滑模觀測器和虛擬傳感器技術(shù)的控制重構(gòu)策略。設(shè)計了虛擬傳感器來跟蹤故障船舶的運行狀態(tài),虛擬傳感器的作用等同于故障傳感器,通過虛擬傳感器的狀態(tài)來重構(gòu)故障后的船舶控制回路。結(jié)合滑模觀測器解決船舶動力定位系統(tǒng)中存在的模型非線性、建模誤差、擾動和參數(shù)不確定等問題,設(shè)計了一種魯棒滑模虛擬傳感器來改善虛擬傳感器的適用范圍。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的方法可以較好地完成傳感器故障

7、的船舶動力定位容錯控制。
　　為了進行推進器故障情況下的船舶動力定位容錯控制,提出一種基于滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制和虛擬執(zhí)行器技術(shù)的控制重構(gòu)策略。在故障船舶與標(biāo)稱控制器之間設(shè)計虛擬執(zhí)行器來重構(gòu)船舶,虛擬執(zhí)行器的作用與故障執(zhí)行器一致,使得重構(gòu)后的船舶輸出仍然保持正常船舶的輸出特征,而無需進行標(biāo)稱控制器的重新調(diào)整和重構(gòu)。結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制技術(shù)解決船舶動力定位系統(tǒng)中存在的模型非線性、建模誤差、擾動和參數(shù)不確定、不確定項上界